廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 齊 明 邱天怡 曾令誠 孟晨旭 肖 星 范德和 曾新雄

變電站作為電網(wǎng)的重要組成部分，是連接發(fā)電廠和用戶的樞紐，其安全穩(wěn)定運(yùn)行不僅關(guān)系到電力系統(tǒng)的供電可靠性，還關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。

早在20世紀(jì)80年代，各種人工智能技術(shù)就引起了電力系統(tǒng)的廣泛關(guān)注，主要以專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為研究重點(diǎn)，集中應(yīng)用于故障診斷、在線監(jiān)測等場景，但由于當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)、算法及算力等因素的限制，其應(yīng)用效果較差[2]。近年來隨著云計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，以深度學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等智能技術(shù)為代表的新一代人工智能技術(shù)得到突破性進(jìn)展，促使傳統(tǒng)變電站逐漸向著高度自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，在這個(gè)過程中不斷出現(xiàn)針對(duì)變壓器、開關(guān)等一次主設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測裝置及在線監(jiān)測系統(tǒng)[3]。

針對(duì)變電站的作業(yè)人員、車輛多，周邊環(huán)境難以監(jiān)控，引入了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，構(gòu)建了變電站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使變電站內(nèi)的人員及環(huán)境得到了全方位的智能管理[4]；針對(duì)變電站的設(shè)備的溫度、濕度和空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)監(jiān)控不足，設(shè)計(jì)了變電站微環(huán)境智能控制系統(tǒng)，為變電站的智能運(yùn)維和智能檢修提供了有效的技術(shù)支持[5]。智能技術(shù)的不斷突破為變電站智能化發(fā)展帶來新的機(jī)遇，開展智能技術(shù)在變電站運(yùn)維數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用研究，有利于保障變電站內(nèi)設(shè)備、環(huán)境和人員的安全，提高變電站的運(yùn)維管理水平。

本文針對(duì)智能技術(shù)在基于3D數(shù)據(jù)平臺(tái)上進(jìn)行變電站智能管理的研究應(yīng)用，結(jié)合基于傳感器和攝像頭的監(jiān)測系統(tǒng)的智能輔助設(shè)備，梳理人工智能技術(shù)在變電站運(yùn)維管理多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究總結(jié)，其中應(yīng)用領(lǐng)域包括智能信息化平臺(tái)、智能巡視、智能操作、智能安全，并對(duì)當(dāng)前人工智能技術(shù)應(yīng)用存在的問題和未來的應(yīng)用方向及重點(diǎn)突破領(lǐng)域進(jìn)行探討。

1 基于3D數(shù)據(jù)平臺(tái)的變電站智能系統(tǒng)的概述

1.1 3D數(shù)據(jù)平臺(tái)

采用構(gòu)建三維模型的方式，通過多圖層立體可視化展示將變電站所有的設(shè)備設(shè)施構(gòu)建成三維數(shù)字化、可視化物理模型，與實(shí)際場景坐標(biāo)系一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)變電站全景展示、數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)監(jiān)控、同景感知、實(shí)景交互，同時(shí)3D數(shù)據(jù)平臺(tái)與SCADA系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)等多種系統(tǒng)融合，并將電網(wǎng)遙信、遙測信息和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、檢修狀態(tài)及異常告警狀態(tài)等都在平臺(tái)中可視化展現(xiàn)，為變電站多系統(tǒng)交互提供了一個(gè)可視的、立體的、全方位信息數(shù)據(jù)平臺(tái)，極大地提高變電站智能運(yùn)行管理水平。

1.2 基于3D數(shù)據(jù)平臺(tái)的變電站智能巡檢系統(tǒng)

對(duì)變電設(shè)備進(jìn)行巡檢、及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷隱患并消缺是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高供電可靠性的常規(guī)基礎(chǔ)工作[6]。目前電網(wǎng)企業(yè)普遍采用人工方式，通過運(yùn)行人員對(duì)變電設(shè)備進(jìn)行定期巡檢或特殊巡檢。但由于變電站場地大、設(shè)備多，導(dǎo)致變電站運(yùn)行人員巡視時(shí)存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、人身安全無保障、人機(jī)工效差等問題，同時(shí)受運(yùn)行人員素質(zhì)、惡劣氣候條件影響，巡檢質(zhì)量不穩(wěn)定、管理成本高，容易產(chǎn)生漏判、誤判。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅提升以及通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、高清攝像技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、紅外測溫技術(shù)及視頻監(jiān)控技術(shù)的大力發(fā)展，大大提高了變電站智能巡檢的能力，智能技術(shù)的運(yùn)用可代替人工巡檢，提高了巡檢效率和質(zhì)量。通過與變電站SCADA系統(tǒng)的信息交互實(shí)現(xiàn)了變電站開關(guān)、刀閘設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程智能識(shí)別，變電站智能巡檢可實(shí)時(shí)監(jiān)控開關(guān)、刀閘的分合狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)狀態(tài)的綜合判斷；及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警設(shè)備狀態(tài)隱患，在變電設(shè)備倒閘操作時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制并能通過智能平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控；替代定期巡檢和專項(xiàng)巡檢提高巡檢能力。

1.3 基于3D數(shù)據(jù)平臺(tái)的變電站智能操作系統(tǒng)

隨著人工智能、AR技術(shù)、UWB定位技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)陸續(xù)開展變電站智能操作系統(tǒng)的研究，主要研究方向?yàn)閷?duì)變電設(shè)備的智能檢修系統(tǒng)、對(duì)變電站現(xiàn)場作業(yè)安全的智能監(jiān)控系統(tǒng)等智能操作系統(tǒng)[7]。變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)綜合應(yīng)用變電站各智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合AR及激光雷達(dá)定位等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于3D數(shù)據(jù)平臺(tái)的變電設(shè)備智能操作。該智能系統(tǒng)具有檢修計(jì)劃智能管理、檢修方案智能編制、檢修預(yù)演、檢修過程智能管控功能，可有效提高變電設(shè)備檢修工作質(zhì)量及效率，降低現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是利用站內(nèi)多個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)全面反映設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀況，為設(shè)備檢修作業(yè)提供支持。變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)打破了以往各個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)間獨(dú)立的狀態(tài)，采用多種交互方式融合站內(nèi)多個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了變電站數(shù)據(jù)的交互和分析，根據(jù)分析結(jié)果得到全站的設(shè)備狀況，有效識(shí)別出故障的設(shè)備，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。同時(shí)智能檢修系統(tǒng)運(yùn)用AR設(shè)備及激光雷達(dá)定位技術(shù)，制定出有針對(duì)性的設(shè)備故障解決方案，AR設(shè)備鏈接3D數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)時(shí)向管理人員反饋檢修作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)度，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)，為設(shè)備故障的排除提供有利支撐。

變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用UMB信號(hào)定位技術(shù)，結(jié)合全站的智能監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)了基于3D數(shù)據(jù)平臺(tái)的智能監(jiān)督現(xiàn)場。該智能監(jiān)控系統(tǒng)具有三維可視化作業(yè)區(qū)域定位功能、作業(yè)人員、作業(yè)設(shè)備及特殊車輛定位功能、誤碰告警響應(yīng)功能，有效的解決了現(xiàn)階段變電站人工作業(yè)監(jiān)管不到位、不實(shí)時(shí)、難度大、效率低的問題。變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)采用基于交點(diǎn)質(zhì)心的UWB信號(hào)測距的三維定位算法，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)從二維監(jiān)控到三維精準(zhǔn)定位和三維可視化顯示，結(jié)合電子安全圍欄與UWB定位技術(shù)，在作業(yè)人員進(jìn)行設(shè)備檢修時(shí)能夠精確劃定作業(yè)圍欄,且反饋給智能終端并在3D數(shù)據(jù)平臺(tái)三維可視化顯示，智能終端判定作業(yè)人員是否跨越作業(yè)區(qū)域,一旦作業(yè)人員跨越作業(yè)圍欄則作業(yè)現(xiàn)場及時(shí)報(bào)警響應(yīng)，并將現(xiàn)場異常作業(yè)信息反饋給3D數(shù)據(jù)平臺(tái)，從而通知運(yùn)行人員制止現(xiàn)場的危險(xiǎn)行為。

同時(shí)，在變電站檢修過程中會(huì)有特殊車輛進(jìn)出作業(yè)區(qū)域，如在檢修過程中要用到吊車、高空作業(yè)車等大型機(jī)具，這時(shí)需特別注意人員以及吊車、高空作業(yè)車等大型機(jī)具是否在作業(yè)區(qū)域內(nèi)，防范其因跨越作業(yè)圍欄，擴(kuò)大作業(yè)范圍，誤碰設(shè)備而造成的人身、設(shè)備、電網(wǎng)事故。采用變電站3D建模技術(shù)以及UWB信號(hào)測距的三維定位算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員以及吊車、高空作業(yè)車等大型機(jī)具的三維定位和移動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤，通過智能終端的數(shù)據(jù)分析及傳輸，將現(xiàn)場的實(shí)際情況實(shí)時(shí)映射到3D數(shù)據(jù)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場作業(yè)人員、特殊車輛、作業(yè)區(qū)域以及作業(yè)行為的智能監(jiān)控和異常告警。

1.4 基于3D數(shù)據(jù)平臺(tái)的變電站智能安全系統(tǒng)

變電站設(shè)備多、人員分散，僅依靠人工難以做好全站設(shè)備和人員的安全管理，為此研究并提出了一種基于智能視頻識(shí)別技術(shù)的變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)[8]。

變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)采用視頻識(shí)別技術(shù)，結(jié)合變電站的智能監(jiān)控技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及智能系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了全站的智能視頻覆蓋、入站時(shí)車輛的識(shí)別和人員身份的識(shí)別，同時(shí)智能系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,可確認(rèn)作業(yè)人員進(jìn)入變電站不同區(qū)域的權(quán)限，如根據(jù)SCADA系統(tǒng)和車輛管理系統(tǒng)可獲取當(dāng)天入站工作的作業(yè)人員、運(yùn)行人員、車輛以及作業(yè)區(qū)域，采用人臉識(shí)別技術(shù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可運(yùn)算出允許進(jìn)入該安全作業(yè)區(qū)域的人臉特征向量，實(shí)現(xiàn)了變電站作業(yè)人員、車輛的身份識(shí)別、區(qū)域化權(quán)限管理以及智能監(jiān)控功能，防止外來人員、車輛不經(jīng)確認(rèn)進(jìn)入變電站以及非工作人員誤入作業(yè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)變電站安全管理及異常預(yù)警響應(yīng)。

變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)作業(yè)人員作業(yè)過程中可能存在的異常危險(xiǎn)行為，采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻人體識(shí)別技術(shù)，識(shí)別出作業(yè)人員跨越安全作業(yè)區(qū)域、未正確佩戴安全帽和穿工作服等不安全行為，并及時(shí)預(yù)警響應(yīng)，將異常行為反饋給3D數(shù)據(jù)平臺(tái)，提醒運(yùn)行管理人員制止和約束作業(yè)人員的不安全行為，保障了變電站人員的安全。

2 變電站智能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 AR技術(shù)

AR技術(shù)是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像的位置、角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，利用該技術(shù)可實(shí)時(shí)將真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體同時(shí)疊加到同一個(gè)畫面進(jìn)行呈現(xiàn)[9]。

變電設(shè)備AR作業(yè)支持技術(shù)的實(shí)現(xiàn)建立在變電站三維建模的基礎(chǔ)上。檢修人員可手持AR移動(dòng)作業(yè)平板描識(shí)別出設(shè)備檢修設(shè)備，并將設(shè)備的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)以AR技術(shù)進(jìn)行展示，檢修人員可查詢檢修工單關(guān)聯(lián)的檢修計(jì)劃、檢修方案、作業(yè)指導(dǎo)書，確認(rèn)檢修對(duì)象、檢修任務(wù)，并可進(jìn)行AR檢修預(yù)演，通過AR移動(dòng)作業(yè)平板進(jìn)行三維零部件級(jí)模型AR檢修預(yù)演，展示設(shè)備的拆解、安裝、調(diào)試、試驗(yàn)、整組傳動(dòng)等工序、工藝、流程及要求內(nèi)容，從而加深變電設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的理解，確保變電設(shè)備檢修工作順利開展。檢修人員還可通過AR移動(dòng)作業(yè)平板快速查詢檢修對(duì)象臺(tái)賬信息、歷史缺陷記錄、歷史檢修記錄、歷史試驗(yàn)記錄，為現(xiàn)場檢修工作提供綜合數(shù)據(jù)支持。AR移動(dòng)作業(yè)平板的作業(yè)指導(dǎo)書上記錄的內(nèi)容可實(shí)時(shí)上傳到變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)智能終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

2.2 視頻監(jiān)控技術(shù)

變電站的安全監(jiān)控系統(tǒng)需在變電站相關(guān)監(jiān)控區(qū)域設(shè)置攝像頭，并將不同區(qū)域的影像數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的分析服務(wù)器，通過分析服務(wù)器與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互來對(duì)人員身份、車輛身份、作業(yè)行為進(jìn)行智能識(shí)別，為保證識(shí)別的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性，主要采用基于3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(3D-CNN)的視頻識(shí)別技術(shù)（圖1），首先卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要大量的樣本集得到模型的適應(yīng)參數(shù)，再運(yùn)用卷積層、激活函數(shù)、池化層、全連接層反復(fù)訓(xùn)練，確定輸入數(shù)據(jù)（人員、車輛、行為）的特征向量，并與允許通過數(shù)據(jù)的特征向量進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，當(dāng)結(jié)果小于閾值時(shí)則意味數(shù)據(jù)正常、無異常狀態(tài)，若結(jié)果大于閾值則存在異常行為或可疑人員、車輛，并將異常結(jié)果實(shí)時(shí)傳到3D數(shù)據(jù)平臺(tái)且立即告警提醒[10]。

圖1 視頻監(jiān)控技術(shù)原理圖

2.3 UWB三維定位技術(shù)

UWB三維定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人員、車輛等移動(dòng)目標(biāo)在安全作業(yè)區(qū)域的三維空間中的定位，通過建立的XYZ三維坐標(biāo)，在三維坐標(biāo)中設(shè)置參考節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)坐標(biāo)、定位基站，參考節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分散部署在三維空間中，收集三維空間中的物理量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)由鏈路的方式傳遞給定位基站，定位基站通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)反饋給智能終端[11]。同時(shí)智能終端產(chǎn)生響應(yīng)的控制信號(hào)，定位基站收到相應(yīng)信號(hào)后產(chǎn)生新的檢測任務(wù)并收集移動(dòng)目標(biāo)信息，收集到的信息與智能終端中原有的身份數(shù)據(jù)庫對(duì)比，鎖定人員、車輛等移動(dòng)目標(biāo)身份，然后按照基于交點(diǎn)質(zhì)心的三維定位算法，確定人員位置（圖2）[12]。

圖2 UWB三維定位原理圖

交點(diǎn)質(zhì)心的三維定位算法是以信號(hào)到達(dá)移動(dòng)目標(biāo)的時(shí)間來測算距離，在三維空間中設(shè)置4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，且4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)離移動(dòng)目標(biāo)的距離越近越好，以每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)目標(biāo)為半徑建立球模型，然后算出4個(gè)球的交點(diǎn)，交點(diǎn)即是在三維空間內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的定位坐標(biāo)點(diǎn)。UWB三維定位技術(shù)采用交點(diǎn)質(zhì)心的定位算法，能精確定位在安全作業(yè)區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)以智能終端為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)庫信息共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的身份確認(rèn)、授權(quán)管理以及異常行為告警，并能在3D數(shù)據(jù)平臺(tái)上顯示，實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)的三維可視化智能監(jiān)控[13]。

3 應(yīng)用實(shí)例

500kV某變電站是南方電網(wǎng)智能技術(shù)應(yīng)用示范點(diǎn)，在變電站三維建模、智能巡檢、智能操作、智能安全監(jiān)控等領(lǐng)域方面累積了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。全站三維建模界面如圖3所示，運(yùn)行人員可以查看疊加在模型上的設(shè)備臺(tái)賬信息、電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)等多源信息，實(shí)現(xiàn)了全站設(shè)備狀態(tài)三維可視化、信息立體化，為運(yùn)行人員提供了立體而全面的技術(shù)支持。

圖3 全站三維模型界面

現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄苎矙z系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合SCADA系統(tǒng)的遙控指令和現(xiàn)場設(shè)備（如開關(guān)、刀閘）的實(shí)際狀態(tài)可判斷遙控分合是否成功，圖4是智能巡檢系統(tǒng)顯示的現(xiàn)場5031開關(guān)狀態(tài)情況，運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)確認(rèn)5031開關(guān)狀態(tài)是否正確執(zhí)行遙控命令。同時(shí)通過智能安全監(jiān)控系統(tǒng)可以確認(rèn)設(shè)備操作現(xiàn)場是否存在異常人員和異常作業(yè)行為，保證了作業(yè)的安全進(jìn)行、提高巡檢效率和質(zhì)量并降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。若這時(shí)智能操作系統(tǒng)檢測出設(shè)備出現(xiàn)故障，檢修人員可手持AR移動(dòng)作業(yè)平板描識(shí)別出設(shè)備檢修設(shè)備進(jìn)行智能診斷和檢修，利用AR設(shè)備模擬現(xiàn)場設(shè)備檢修情況制定檢修方案，AR設(shè)備關(guān)聯(lián)智能終端和3D數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)，為變電站檢修人員提供更直觀、智能的技術(shù)支持。

圖4 綜合判斷5031開關(guān)合位界面

在3D數(shù)據(jù)平臺(tái)上，通過多個(gè)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，數(shù)據(jù)相互交互、共享，實(shí)現(xiàn)了全站的智能管理，提高了變電站的運(yùn)維安全、效率，保障了作業(yè)人員安全和設(shè)備的可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

變電站智能技術(shù)的突破將促進(jìn)變電站的智能化發(fā)展，開展以AR技術(shù)、智能優(yōu)化為代表的人工智能技術(shù)在變電站運(yùn)維中的應(yīng)用研究，有利于保障變電站內(nèi)設(shè)備、環(huán)境和人員的安全，提高變電站的運(yùn)維管理水平。同時(shí)智能信息系統(tǒng)通過基于傳感器的遙測系統(tǒng)和基于攝像頭的遙視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的運(yùn)維管理，具體包括全站的智能巡檢、站內(nèi)電力設(shè)備狀態(tài)的評(píng)估診斷、站內(nèi)安防環(huán)境的智能感知、站內(nèi)人員行為的檢測判別等。目前智能技術(shù)在變電站運(yùn)維管理已有了一定的發(fā)展，提高了對(duì)變電設(shè)備及其運(yùn)行環(huán)境的全面監(jiān)測維護(hù)的能力，但仍存在智能化程度不夠、推廣難度大的現(xiàn)狀，因此變電站智能技術(shù)的發(fā)展將還有很長的路要走，要在現(xiàn)有的智能技術(shù)的基礎(chǔ)上努力探索，與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等新技術(shù)深度融合，才能發(fā)揮最大優(yōu)勢。